模塊選煤廠主廠房結構方案的探討

【摘 要】本文主要介紹了模塊選煤廠主廠房結構方案布置的特點，列舉實例分析對比結構方案的利弊，以及在設計中設計此類工程應注意的問題。

【關鍵詞】模塊化；主廠房；結構布置；方案比較；優化

一、引言

選煤廠主廠房是整個選煤廠設計的核心工程，結構布置的方案直接影響建設周期，成本投資，以及后期設備維修等 。以往，傳統設計的主廠房結構形式大多為鋼筋混凝土框架或鋼框架結構，房屋體積大、層數多、施工速度慢，材料用量偏大。本世紀以來，隨著市場的需求，我國開始引進國外模塊選煤廠主廠房（以下簡稱模塊主廠房）的設計理念，并將這種理念逐步運用于實際工程中，大大提高了建設周期和工作效率。

二、模塊主廠房設計特點

1）主要受力構件布置在設備受力大的位置，例如設備支座處：非設備受力區域（人行道或檢修道）從柱邊懸挑。這樣布置受力明確，傳力直接，減小了梁的跨度和構件截面，能從一定程度上減少鋼材用量。

2）梁柱之間斜撐桿件多，形式多，支撐與框架整體計算，柱計算長度根據《鋼結構設計規范》5.3.3條確定，部分柱可按無側移框架柱考慮，相對純框架體系構件長細比減小，承載力得到提高，此外這樣的布置增強結構整體剛度，在大型振動設備下起到對結構有利的作用。

3）打破傳統廠房“層“的束縛，按工藝要求將設備布置在不同的平臺，降低廠房高度，減小了廠房體積，降低了泵送高度。

4）個別廠房大跨度的框架梁采用桁架式梁，均為小截面的H型鋼組合在一起的桁架，桁架腹桿節點根據上部設備受力點劃分，使集中力直接落于桁架的節點，構件軸心受力。桁架梁與柱鉸接，不傳遞彎矩，節省高強螺栓，減小柱截面。

5）樓面采用網隔板，便于設備直接沖洗。

6）主要設備通過天車整體起吊，便于設備檢修維護。

二、主廠房兩種不同結構方案對比

前面描述了模塊主廠房以及類似模塊主廠房的設計特點，下面介紹近期設計的某選煤廠主廠房。

1、選煤廠主廠房從主體結構上分為兩部分，外圍護和內框架。外圍護部分為門式鋼架結構，柱頂標高23.500m，基礎為柱下獨立基礎；內框架為鋼框架結構，主要部分3層，局部4層，柱頂標高最高處為16.000m，樓板為鋼格板，筏板基礎，兩個部分從基礎到上部結構相對獨立。由于廠房內主要設備都在內框架里，外圍護部分沒有設備荷載，用途只是廠房的圍護和供吊車運行提升和檢修設備，沒有和設備發生聯系。內框架為規則的鋼框架結構，長61m，寬20m，兩個方向的柱距大多為7m左右，結構布置是在工藝布置的柱網基礎上做深化結構布置，方案布置局限性大。現抽取工藝流程壓濾機部分為計算單元，在相同設備布置受力的情況下分別以A、B兩種結構布置方案來分析比較。

2、A、B兩種方案比較

（1）A方案（設計中所采用的計算模型）

計算軟件：中國建筑科學研究院編制PKPM系列軟件STS，PMCAD，STAWE 2008年版。

鋼柱鋼梁均采用國標H型鋼，梁柱最大強度及穩定應力比控制在1.0以內，各連接節點及鋼材強度設計均滿足設計指標（《鋼結構設計規范》GB 50017-2003）

圖一為A方案的鋼柱布置位置，根據軸網布置，通過計算得出柱最大應力比達到0.85；梁最大應力比達到0.96。統計此方案布置鋼材量為45.4t。（鋼柱均為HW350X 350X12X19）

（2）B方案（模仿模塊主廠房結構布置的特點，即在主要受力設備下布置鋼柱，減小柱距，人行道和檢修道做支架，柱間支撐參與結構整體計算，條件是柱的布置須滿足工藝要求）

計算軟件與計算參數同A方案

圖為B方案的鋼柱布置位置（鋼柱位置為壓濾機支座或較大設備受力點），通過計算分析得出柱最大應力比達到0.80；梁最大應力比達到0.95；支撐最大應力比達到0.76。統計此方案布置鋼材量為28.3t。

從A方案與B方案的比較得出B方案的梁柱截面小，鋼材用量節省。若在B方案的基礎上優化設計，就能做到結構方案布置更合理，在優化結構布置前須結合工藝等專業布置柱網、柱間支撐等。由于柱網、柱間支撐密集（且各層柱存在轉換），人行檢修和設備運轉、工藝管道布置等須與結構專業密切結合，這就要求工藝方案階段須考慮結構的布置合理性，只有這樣才可設計出真正意義上的模塊主廠房。

四、深化研究和應用

1、工藝流程的前期布置，應該與土建等專業密切結合，讓工藝管道、設備、土建專業在方案布置階段就參與進來，工藝專業也應對土建專業略微有些了解。

2、結構設計深化計算、布置柱間支撐等，應對管道位置走向大體了解，建模時能準確輸入支撐位置及形式，這樣計算時使支撐參與結構主體計算，對結構起到有利作用，才能減小構件斷面尺寸，從而達到節約鋼材目的。

3、在設計過程中，應多分析比較，采用多種計算軟件（如3D3S、ANSYS、X-STEEL等，而不單純局限于一種設計軟件），選取多種計算模型（比較各種模型的合理性），優化結構布置。只有合理布置設計方案，多學習、多比較、多改進，才能設計更經濟、更合理的設計精品。

參考文獻：

[1]鋼結構設計規范 GB 50017-2003.

[2]劉峰 選煤技術的現狀及發展趨勢. 《中國煤炭學會第六次全國會員代表大會暨學術論壇論文集》2007年

[3]郝存義 模塊選煤廠的引進與發展 《選煤技術》2002.12